Practica 8 de Metalmecanica - Ensayo de Impacto

LABORATORIO METALURGIA MECÁNICA-ENSAYO DE IMPACTO

INTRODUCCIÓN

El ensayo de impacto o el ensayo Charpy, es una práctica la cual me permite determinar la cantidad de energía que es capaz de absorber un material o probeta mediante con la aplicación de la física clásica es decir mediante la diferencia de energías potenciales presentadas por el martillo, es decir antes del impacto el martillo tienes una energía potencial inicial (Ε i), ya que se encuentra a una altura inicial (Hi), después del choque se mide la altura final (Hf) y se puede obtener la energía potencial final (Ε f ), la cual la energía absorbida por la probeta es la diferencia de las dos claro está despreciando la resistencia del aire y otros factores influyentes, entonces:

Εabsorbida=Ei−Ef

De forma gráfica el ensayo Charpy se representa de la siguiente forma (Véase figura 1), la cual consiste en una probeta con unas dimensiones y características especificadas por la norma ASTM E23 -72 (véase figura 2), en donde esta está apoyada en dos puntos y es impactada de forma inminente con el martillo, en la cual la energía es trasmitida con el choque de forma directa a la

Figura 1. Montaje y procedimiento esquemático del ensayo Charpy.

Figura 2. Probeta para ensayo Charpy según la norma ASTM E23-72


probeta metálica, la cual es indicada por la maquina.


con este tipo de prueba o practica en distintos materiales se desea encontrar un valor más acertado y preciso de la tenacidad de estos mismos ya que de una forma didáctica se puede dar a conocer con mayor certeza las aplicaciones más adecuadas de las piezas que se fabrican de acuerdo al diseño, al material utilizado y al ambiente al que va a ser expuesto, es decir a que condiciones de temperatura y así de esta forma determinar que tan frágil o dúctil es un material de acuerdo a la fractura que su debida probeta o muestra de a conocer.


OBJETIVOS

De forma experimental demostrar la influencia de la temperatura en el comportamiento de un material, al recibir un impacto.

Familiarizar al estudiante con el funcionamiento, cuidados e interpretación de los resultados, al realizar el ensayo Charpy.

Demostrar mediante este ensayo la razón metalúrgica por la cual la embarcación el TITANIC falló bajo esas condiciones de temperatura.

Analizar e interpretar los resultados tanto numéricos como metalográficos obtenidos en la práctica.


EQUIPOS, INSTRUMENTOS Y MATERIALES.

Máquina de ensayo Charpy.

Dos probetas de acero AISI-SAE

Hielo seco.

Nevera de poliestireno expandido.

Alcohol antiséptico.

Maquina cortadora de disco.

Lijas y máquinas de desbaste grueso.

Paños y máquinas de pulido fino.

Alúmina alfa

Alúmina beta

Reactivos químicos (nital y picral).

Secadora industrial.

Algodón.

Microscopio óptico.

Termómetro de alta precisión


PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.

La práctica se realizó en los siguientes pasos:

1. Una de las probeta de acero AISI-SAE se coloca dentro de la nevera de poliestireno expandido con el hielo seco y en rociado con un poco de alcohol antiséptico, de tal forma que al medir la temperatura de la probeta el termómetro indique a - 40 °C aproximadamente.

2. Se coloca cualquiera de las dos probetas en los apoyos de forma simétrica en la máquina de ensayo Charpy con la ranura hacia afuera (véase la figura 1.) y se colocan la agujas indicadoras de la maquina en cero.

3. Se descarga de forma inminente el martillo, con el fin de impactar la probeta en el centro de esta y tomar apunte de los datos arrojados por las aguas indicadoras de la máquina y de esta forma repetir este paso para las tres probetas.

4. Observar el tipo de fractura presentado por cada probeta y determinar el comportamiento que tuvo a las condiciones de temperatura las cuales se realizó la práctica.

5. A cada probeta realizarle el debido análisis metalográfico.


RESULTADOS

FROTAMIENTO:(Aire y cojinetes)

AISI-SAE 1020 T=25°C

AISI-SAE 1020 T=-40°C (Aprox.)

Energia absorbida [Kg-m]

2,5 0,25 0,74

Ángulo [°] g 15 1,5 5Esfuerzo de

impacto (Kgm

cm2)

3,5 0,25 0,9

Tabla 1. Datos arrojados por el equipo charpy de energía absorbida, ángulo de elevación y esfuerzo de impacto para dos tipos de aceros, con algunas variaciones de temperatura y los datos de impacto arrojados por el péndulo al realizar el

ensayo sin probeta alguna, analizando las pérdidas de energía por fricción del equipo.

Es conveniente definir las variables aplicadas en los resultados a continuación calculados (Ver anexo 1). Así:

Ei = Energía de impacto total absorbida por la probeta de acero trabajada.

Ee = Energía de ensayo. En esta se tiene en cuenta la energía absorbida por la probeta de acero, y la energía absorbida por la resistencia ofrecida por el aire y los cojinetes.

E f = Energía de fricción. Absorbida por el aire y los cojinetes de la máquina de impacto.

H p = Altura total en la posición inicial del péndulo, antes de caer.

R = Radio del péndulo.

G p= Angulo de inclinación entre una posición absoluta del péndulo y la llegada del péndulo luego de haber impactado a una probeta de acero.

Ge= Angulo de inclinación durante el ensayo. Valor que arroja la máquina de impacto.

Gf = Angulo de inclinación por la fricción del aire y de los cojinetes. Se extrae de la máquina de impacto sin disposición de alguna probeta de acero.

H S = Altura de llegada del pensulo luego de haber impactado con alguna probeta.

H Sf= Altura de llegada del péndulo luego de haber sido ensayada sin colocar probeta alguna en el ensayo. Se mira la acción del aire y de los cojinetes.

H Se = Altura de llegada del péndulo durante el ensayo de una probeta de acero.


H Si = Altura de llegada del péndulo, teniendo en cuenta únicamente el impacto y la resistencia al impacto ofrecida por la probeta de acero y no por el aire y los cojinetes.

∆ H i = Cambio de altura entre la posición inicial del péndulo, y la altura de llegada del péndulo luego del impacto. Para este se tiene en cuenta únicamente la energía absorbida por la probeta del acero, y no por el aire y los cojinetes.

ENERGIA DE IMPACTO (Ei)

AISI-SAE 1020; T = 25°C

Ei=Ee−E f

Ei=0,25Kgm

cm2−2,5 Kgm

cm2

Ei=−2,25 Kgmcm2

Procediendo de la misma manera se encuentra la energía de impacto para la otra probeta. Para el AISI-SAE 1020; T = -40°C Aproximadamente.

Ei=−1 ,76 Kgmcm2

ALTURA TOTAL DEL PENDULO (H p)

H p=R ¿

ANGULO DE IMPACTO (G p)

AISI-SAE 1020; T= 25°C

Gi=Ge−G f=15 °−1,5 °=13,5°

AISI-SAE 1020; T=-40°C

Gi=Ge−G f=4 °−1,5 °=2,5 °

AISI-SAE A36; T=25°C


Gi=Ge−G f=42,8 °−1,5 °=41,3°

ALTURA DE LLEGADA DEL PENDULO(H S)

Altura a la cual llega el péndulo únicamente con la resistencia ofrecida por el aire y los cojinetes de apoyo.

H Sf=R ¿

Ahora para cada probeta ensayada se encuentra la altura alcanzada luego de impactar con las probetas.

AISI-SAE 1020; T = 25°CH Se=R ¿

AISI-SAE 1020; T = -40°CH Se=R ¿

AISI-SAE A36; T=25°C.H Se=R ¿

Teniendo en cuenta que las alturas trabajadas antes, suman la resistencia ofrecida por la probeta, por el rozamiento del aire y de los cojinetes, se debe encontrar la altura alcanzada únicamente con la resistencia ofrecida por la probeta ensayada; para esto se reemplaza el ángulo de impacto en H Si.

AISI-SAE 1020; T = 25°CH Si=R ¿

AISI-SAE 1020; T = -40°CH Si=R ¿

AISI-SAE A36; T=25°C.H Si=R ¿

VARIACIÓN DE ALTURA, ENTRE ALTURA INICIAL Y ALTURA DE LLEGADA (ΔH i=H p−H Si)

AISI-SAE 1020; T = 25°C ΔH i=H p−H Si=150,9068cm−139,8508 cm=11,056cm


AISI-SAE 1020; T = -40°C ΔH i=H p−H Si=150,9068cm−149,1375 cm=1,76927cm

AISI-SAE A36; T=25°C. ΔH i=H p−H Si=150,9068cm−107,6361cm=43,2707cm

Ei[Kg-m] Gi[°] H Se[cm] H Si[cm] ∆ H i[cm]AISI-SAE 1020,

T = 25°C2,26 13,5 138,4068 139,8508 11,056

AISI-SAE 1020, T = -40°C

0,35 2,5 148,0129 149,1375 1,7692

AISI-SAE A36;T = 25°C

8,75 41,3 105,6429 107,6361 43,2707

Tabla 2. Valores de energía de impacto (Ei), ángulo de impacto (Gi), altura de llegada del péndulo en el ensayo (H Se),

altura de llegada del péndulo en el impacto (H Si) y el cambio de altura entre la altura inicial y la altura de llegada luego

del impacto (∆ H i) para los diferentes probetas de dos distintos aceros a temperaturas de 25° y -40°C. La altura inicial

del péndulo es: H p=150,9068 cm. Y la altura de llegada del péndulo sin probeta (solo con la fricción del aire y los

cojinetes): H Sf=149,8611cm .

Análisis metalográfico de la probeta de Acero 1020 en estado normalizado.

Micrografía Acero AISI SAE 1020 en estado normalizado a 100X atacado con nital al 5%.


Colonia de perlita.

Matriz ferrìtica.


La estructura presente en la probeta de acero 1020 muestra una matriz ferrítico-perlìtica, en donde la ferrita se encuentra en una mayor cantidades que la perlita; la cual posee una distancia interlaminar pequeña. Este acero por dichos microsconstituyentes, así como sus cantidades hacen que este acero muestre una gran ductilidad, por lo que puede ser sometidos a trabajado por deformación; además de que sus bajas cantidades de carbono lo hacen un acero apto para el proceso de cementación, haciéndolo bastante resistente al desgaste al someterse a este tratamiento. Esta matriz ferrítica-perlítica presenta una buena tenacidad, por la presencia de esta perlita fina y mínimo espaciamiento interlaminar; sin embargo las bajas cantidades de perlita no hace de este acero el mejor acero, y teniendo en cuenta que no es un acero templable no es posible obtener una estructura de martensita, que pueda ser sometida a revenido para obtener la martensita revenida u otra microestructura más tenaz.

Entre las aplicaciones que presenta a nivel industrial el acero 1020 se encuentran:

Remaches con cabeza, obtenidas por deformación en frío. Arboles de leva. Horquillas de embragues. Paletas de ventilador. Tuberías soldadas.


Mediante el análisis del diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro, podemos determinar los porcentajes respectivos de ferrita y cementita.

Proeutectoide

0,89−0,20,89−0,025

×100=79,76%Ferrita

100−79,76=20,24% Austenita

Las cantidades de austenita antes del punto Eutectoide son aproximadamente las mismas después de la transformación por lo cual las cantidades de perlita serán del 20,24% aproximadamente.

Carbono Manganeso Fósforo Azufre0.18 - 0.23% 0.30 – 0.60% 0.04% Máximo 0.05% Máximo


Piezas forjadas donde no es necesario muy alta resistencia.

Análisis de fractura para el Acero AISI-SAE 1020 a diferentes temperaturas de ensayo.

Figura . Fractura de la probeta Charpy del acero 1020 a temperatura ambiente.

Figura . Fractura de la probeta Charpy del acero 1020 a una temperatura de -40 .

La probeta del acero 1020 ensayada a temperatura ambiente muestra una fractura con presencia de deformaciones plásticas durante la propagación de la grieta, debido a los esfuerzos generados durante el ensayo, generando una fractura propagada en un plano inclinado de la probeta desde la entalladura hasta el otro

Se pudo apreciar una fractura con una tendencia lineal en la probeta ensayada a una temperatura de -40 C aproximadamente. Este tipo de fractura se puede apreciar gracias a que los esfuerzos cortantes generados por la maquina Charpy las deformaciones plásticas son mínimas, prácticamente indetectables; sin embargo esta


Análisis metalográfico de la probeta de Acero AISI-SAE A36 en estado normalizado

Micrografía Acero AISI SAE A36 en estado normalizado a 50X atacado con nital al 5%.




Colonia de perlite.

Ferrita.

La probeta del acero 1020 ensayada a temperatura ambiente muestra una fractura con presencia de deformaciones plásticas durante la propagación de la grieta, debido a los esfuerzos generados durante el ensayo, generando una fractura propagada en un plano inclinado de la probeta desde la entalladura hasta el otro

Se pudo apreciar una fractura con una tendencia lineal en la probeta ensayada a una temperatura de -40 C aproximadamente. Este tipo de fractura se puede apreciar gracias a que los esfuerzos cortantes generados por la maquina Charpy las deformaciones plásticas son mínimas, prácticamente indetectables; sin embargo esta


A partir del análisis metalográfico se puede observar que el material esta compuestos de una distribución de colonias de perlita de manera homogénea en la perlita y en mayor cantidad. La perlita en la microestructura del acero permite apreciar un interlaminado entre la cementita y la ferrita en la perlita muy mínima (perlita fina) lo que le confiere mejores propiedades mecánicas al material, entre ellas su capacidad para absorber energía.

Entre las aplicaciones que presenta a nivel industrial el acero AISI-SAE A36 se encuentran:

Construcción de estructuras metálicas Puentes Torres de energía Torres para comunicación Edificaciones remachadas Atornilladas o soldadas Herrajes Eléctricos Señalización Cables para puentes colgantes Atirantados y concreto reforzado Varillas y mallas electro-soldada para el concreto reforzado Láminas plegadas usadas para techos y pisos

Mediante el análisis del diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro, podemos determinar los porcentajes respectivos de ferrita y cementita.

Proeutectoide

0,89−0,260,89−0,025

×100=72,83%Ferrita

100−72,83=27,16% Austenita

Las cantidades de austenita antes del punto Eutectoide son aproximadamente las mismas después de la transformación por lo cual las cantidades de perlita serán del 27,16% aproximadamente.

Carbono Maximo

Fósforo maximo Azufre maximo Silicio

Cobre

0,26 0,04 0,05 0.37 0,20


Análisis de fractura para el Acero AISI-SAE A36 a temperatura ambiente.

Es importante hacer notar que ambos acero presentan un comportamiento diferente a temperatura ambiente en su tenacidad, siendo el acero A36 mas tenaz que el 1020; sin embargo observando la curva de transición entre el estado dúctil al estado frágil para aceros de bajo carbono podemos apreciar que ambos aceros presentarían el mismo comportamiento a temperatura de 40 grados bajo cero, ya que en este rango de temperaturas la cantidad de energía que podían absorber tiende a ser mínima, prácticamente 0.

Figura . Fractura de la probeta Charpy del acero AISI-SAE A36 a temperatura ambiente.

Figura . Fractura de la probeta Charpy del acero AISI-SAE A36 a temperatura ambiente.

La fractura de la probeta del acero AISI-SAE A36 muestra que la grieta no logra propagarse completamente sobre todo el material, por lo que la propagación no alcanza a llegar al otro lado de la probeta. Se pude apreciar que la fractura genera deformaciones plásticas, pero en este caso el material logra absorber la mayoría de energía por de impacto, evitando la propagación de la grieta. Al momento de darse la propagación de la grieta el material muestra que los esfuerzos que se generan en el material no logran producir el flujo de material (deformaciones plásticas) ya que son absorbidos y disipados antes de que logren producir una falla completa del material.

Temperatura a la cual los aceros AISI SAE 1020 y A36 no absorberían energía de impacto


Figura 4. Curva de transición dúctil-frágil para un acero de bajo carbono

ANÁLISIS DE RESULTADOS.

Las pérdidas de energía pueden ser analizadas con la altura alcanzada por el péndulo luego de ser soltado y de haber impactado con la probeta metálica. De esta manera, habría de suponerse que, si no hubiera ningún factor que permitiera la perdida de energía el péndulo llegaría a la misma altura de la posición de partida de este. Pero, la capacidad de absorber energía de cada acero durante el impacto con el péndulo, hace que el péndulo pierda energía durante el recorrido y por lo tanto pierda altura luego del impacto. El péndulo presentó mayor elevación durante el ensayo con el AISI-SAE 1020 que con el acero ASTM A36, debido a la capacidad superior de este último de absorber la energía llevada por el péndulo y quitarle impulso al péndulo. De igual manera, se pudo visualizar que, el hecho de disminuir la temperatura a un acero, disminuye su capacidad de absorber energía, al punto de volverlo frágil. Así, se pudo observar que la altura en el recorrido del péndulo, aumento significativamente por el descenso significativo de la temperatura (ver tabla 2).

El ángulo de impacto resultó más alto para el acero ASTM A36 que para el acero AISI-SAE 1020, evidenciando la superior capacidad de absorber energía. De la misma manera, el descenso de la temperatura (T=-50°C) para el AISI-SAE 1020, redujo su capacidad de absorber energía, al reiterar un ángulo de impacto menor al de la probeta ensayada a temperatura ambiente.


La energía de impacto absorbida (tenacidad) a temperatura ambiente fue mayor en el acero ASTM A36 que en el acero AISI-SAE 1020 (véase tabla 2). Esto puede ser explicado microestructuralmente, de tal manera que, se le atribuye la alta tenacidad del acero ASTM A36, la homogénea distribución y la baja distancia interlaminar de la perlita en comparación con la perlita mostrada en el acero AISI-SAE 1020, en el que la alta distancia interlaminar y deficiente distribución son preponderantes. Por su parte, la energía de impacto absorbida resultó disminuir en el acero AISI-SAE 1020 al descender la temperatura hasta -50°C con respecto a la probeta ensayada a 25°C, que puede atribuir su efecto, a que la baja temperatura tienda a obstaculizar el movimiento de las dislocación y a disminuir la efectividad de una deformación plástica como “amortiguador” del impacto recibido.

El modo de fractura a temperatura ambiente del acero ASTM A36 fue irregular y parcial con aparente deformación plástica, debido a las “escalones” generados sobre la superficie de fractura. Por su parte, el acero AISI-SAE 1020 presentó fractura total e irregular, pero en menor proporción que el ASTM A36. La fractura incompleta del ASTM A36 frente al AISI-SAE 1020, reitera la mayor capacidad de primero, de absorber energía para retener la rotura del material. Por su parte, el acero AISI-SAE 1020 a temperatura de -50°C, presentó una fractura frágil total, en la que se observó un plano oblicuo de forma regular. Esto demostró la incapacidad del acero de absorber energía a bajas temperaturas, promoviendo una falla súbita del material, en presencia de esfuerzos repetitivos.


CONCLUSIONES

El acero SAE 1020 sometido a baja temperatura, presentó una fractura frágil baja temperatura, lo que indica que le hace falta tenacidad para ser un acero suave, por dicho motivo el TITANIC presentó falla en el casco lateral, dadas las condiciones de temperatura inferiores a los 0°C, y los esfuerzos del choque con el iceberg.

El acero ASTM A36 mostró una distribución de perlita mas homogénea en la matriz ferrítica que sirvió para que el material alcanzara una mayor tenacidad, y pudiera absorber mayor cantidad de energía.

Las fracturas dúctiles apreciadas en los aceros AISI SAE 1020 y ASTM A36 a temperatura ambiente presentaron deformaciones plásticas, ya que los esfuerzos generados alcanzaron los valores de fluencia del material, causando su respectiva deformación plástica.

El acero ASTM A36 absorbió mayor cantidad energía de impacto a temperatura ambiente que el acero AISI-SAE 1020; sin embargo el acero AISI-SAE 1020 absorbió menor cantidad de energía de impacto a bajas temperaturas que a temperatura ambiente.


BIBLIOGRAFIA

BATISTA R. Arnold José y VIECO V. Juan Daniel. Determinación de la tenacidad a la fractura por medio del ensayo Charpy instrumentado de un acero A283 grado C envejecido e aun ambiente de hidrógeno. Universidad Industrial de Santander. 2010

ECHEVARRIA Ricardo. FRACTURA DE MATERIALES. Universidad Nacional del Comahue. Facultad de ingeniería. Laboratorio de Ensayos no destructivos. 2003.

Hoja guía de Ensayo impacto. Ingeniería civil. UIS

DIETER G. MECHANICAL METALLURGY. Editorial Mac Graw Hill. 1988


LABORATORIO DE METALURGIA MECÁNICA

ENSAYO DE IMPACTO

PRESENTADO POR:

ANDRÉS FELIPE QUINTERO JAIME

JUAN DIEGO SERRANO LEÓN

YEHIMY ROCIO GUERRERO BANDERAS

ALBERT ALBARRACÍN CANDELA

LEIDY QUINTERO ASCANIO

ANDRÉS FELIPE CRUZ BECERRA

PRESENTADO A:

ING. AFRANIO CARDONA GRANADOS


UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOQUÍMICAS

ESCUELA DE INGENIERIA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES

BUCARAMANGA

2011

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Practica 8 de Metalmecanica - Ensayo de Impacto